基于RS－GIS的大连金州区土地利用生态风险时空分布研究

王 耕，李泽阳，王晓蕊，张召鹏

（辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连116029）

基于RS－GIS的大连金州区土地利用生态风险时空分布研究

王 耕，李泽阳，王晓蕊，张召鹏

（辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁大连116029）

为探究快速发展地区的土地利用和覆被变化规律，解译大连金州区2005年、2010年、2015年三期Landsat TM影像，构造综合生态风险指数模型，以街道作为生态风险评价单元，基于GIS和地统计学方法，将土地利用结构转化为生态风险变量，通过土地利用类型的时空转移探究生态风险演变，揭示金州区“十五”到“十二五”以来土地利用变化引起的生态风险时空分布规律。结果表明：2005—2015年金州区土地利用发生变化的面积达1164.9km2，占总面积的85.45%，建设用地面积增加，耕地、林地等面积减少，综合生态风险指数由2005年的0.1073增加到2015年的0.1506，增加了28.75%；高风险区集中在南部和西部地区，较低风险区集中在中部和东北部的山地地区，生态风险变化大致呈现递阶结构，由东北向西南逐渐增加，这与人口与经济的集聚等因素相关。研究结果揭示了城市化快速发展下，金州区土地利用人为干扰的空间差异。该结论可为金州未来建立生态型新城新区以及土地利用规划提供科学依据。

土地利用；生态风险；风险指数；评价；金州区

土地利用/覆被变化（LUCC）已成为人类活动对地区变化乃至全球变化影响研究的前沿和焦点，LUCC改变了全球生态系统格局与结构［1，2］，对土地利用生态风险评价上有重要意义。土地利用的生态风险评价不仅是环境学、生态学、地理学和社会科学等耦合研究的焦点［3］，也是近年来城市化及土地利用研究中倍受关注的热点问题。众多专家学者对土地利用的生态风险做了大量研究。从评价方法上看，目前主要有两种模式：一种是基于景观生态学指标的评价模式。杨勇、任志远［4］等利用景观生态指标研究了西安市近郊区的土地利用生态风险；周汝佳［5］等研究了盐城海岸带土地利用生态风险。第二种是基于殷浩文［6］提出的“风险源分析—风险受体评价—暴露评价—危害评价—风险表征”的程序评价模式。孙洪波［7］等利用风险要素评价程序评价了昆山市土地利用生态风险；赵源、黄成敏［8］等用相对风险模型（RRM）评价了乐山市土地利用生态风险；许开鹏［9］等用风险因子评价法对云贵高原的土地利用优化进行了研究。这种基于景观的生态风险评价更倾向于传统地理学思想，更强调空间尺度、空间格局、区域和局地的关系［10］。

总结相关的文献研究，土地利用风险研究内容多集中于对区域风险现状的评估与分析，且评价方法成熟，而土地利用变化导致的生态风险转移情况是土地利用生态风险时空演变的关键要素，目前的研究案例还很缺乏。从研究区位选择看，已有的研究区域主要集中在人为扰动强度大的流域［11－13］、城市［14，15，25］、农牧交错带［16］，而生态脆弱的滨海沿岸、湿地、沙漠绿洲等地区随着人地关系矛盾的日益加剧，土地生态风险演变的研究还需深入。

金州区作为滨海城市大连周边重要的增长极，近年来海岸城市化的飞速发展凸显了土地利用的生态风险。本文以大连金州区为典型区域，基于RS、GIS和地统计学方法，通过土地利用结构转化的生态风险量探究风险的演变［17］，并分析其时空分布特征和规律，进一步揭示了土地利用的时空变化对生态风险的影响，旨在为经济发展和土地利用开发与规划提供科学决策，实现土地利用与区域生态可持续发展。

1 研究区域概况

金州区位于辽宁省南部、大连市区东北部，地处121°40′00″—122°20′00″E、39°0′0″—39°20′0″N，东濒黄海，西临渤海（图1）。金州区地形以地山丘陵为主，共辖26个街道147个行政村，目前人口总计72.91万人，总面积1390km2，海岸线161.23km。金州区土地利用一直以农业用地为主，从20世纪80年代起作为国家较早的沿海开发开放地区，建设用地规模不断扩大，尤其是“十五”到“十二五”期间，随着金州新区的建立，土地利开发强度提高到了16.78%，尽管围填海一时缓解了用地的不足，但土地利用的剧烈变化而导致的生态风险却与日俱增。自2010年金州新区成立之日，随着建设用地面积需求的增加，2005—2010年耕地面积共减少了5105.5km2，2010—2015年耕地面积减少了116.37km2，平均每年减少约5.12%。由于农药与化肥的过度使用和污染物的持续排放，土地污染面积扩大；湿地面积的大幅减少，国家一级重点保护物种白尾海雕的数量逐年减少，面临着土地生态功能的不断丧失，生物多样性威胁加剧，未来金州区土地可持续利用堪忧，生态风险研究迫在眉睫。

图1 研究区地理位置

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究影像数据来源于地理空间数据云Landsat TM影像，并在ENVI5.1软件中通过几何校正、融合、镶嵌和裁剪等手段，利用监督分类和人机交互解译相结合的方法，解译了三期的金州土地利用类型图。根据野外调查样点对解译精度进行了验证，结果满足空间分析与实际应用需求。基于ArcGIS获得金州区土地利用专题数据，结合第二次全国土地调查数据、金州土地利用类型图等，依据2007年颁布的《土地利用分类》国家标准和金州区土地利用情况，将本研究区域地类划分为：耕地（旱地、水田、水浇地）、园地、林地、草地（牧草地）、城镇村及工矿用地（城镇、采矿、农村居民点、风景名胜设施）、交通运输用地（公路、铁路、港口码头）、水域及水利设施用地（河流水面、坑塘水面、水库水面、滩涂、农田水利、水工建筑）、其他用地（设施农用地、特殊用地、自然保留地）等8种类型（图2，见封二）。

2.2 研究方法

建立模型：将解译完成的三期遥感影像图转入ArcGIS，通过地类斑块的识别，建立以街道为单位的生态风险评价样地数据库，将所得生态风险指数进行空间化计算。利用金州区各类土地要素的面积比重，构造各土地利用类型的生态风险指数IER，用于描述一个样地内的综合生态风险指数［18］，每个样地的中心点代表本区域的生态风险指数。计算公式为：

式中，i为土地利用类型数；Si为研究区域内第i种土地利用类型的面积；S为生态风险评价单元的总面积；Wi为第i种土地利用类型所反映的生态风险强度参数。生态风险强度Wi的确定采用层次分析法实现［19］。

图3 生态风险指数递阶层次结构模型

土地利用生态风险评价是一个多目标的复杂问题，影响土地利用的因素有很多，可采用层次分析法建立评价指标体系并赋权。根据金州区的实际情况并结合专家咨询，选取了土壤、空气、地貌、水、生物多样性和社会经济价值等六个要素作为决策层，建立生态风险指数层次递阶结构模型（图2），依据该模型创建判断矩阵，然后进行元素之间重要性的比较。经过验证，所有判断矩阵均通过了一致性检验，且判断矩阵的随机一致性比率 CR＝0.0608＜0.1，认为判断矩阵具有满意的一致性。最终得出各土地利用类型的权重为：耕地（0.0740）、园地（0.0680）、林地（0.0931）、草地（0.0990）、城镇村及工矿用地（0.0963）、交通运输用地（0.2027）、水域及水利设施用地（0.1501）、其他用地（0.2169）。

地统计方法：以街道为评价单元进行系统采样，通过ArcGIS10.0中的地统计分析［20］模块进行克里金插值，制作空间风险等级图，探究金州土地利用生态风险时空分布。由于区域的生态安全与风险不是绝对的，是相对于临近区域的［21］，而空间自相关是度量具有空间特征要素与其他相邻具有相同空间特征要素之间的相关性方法［22］。因此，通过空间分布特征来研究要素的集聚性、异常性与相互之间的作用关系。全局空间自相关是对属性值在整个区域的空间特征描述，表示全局空间自相关的指标和方法很多，本文采用Moran′s I 来表示［23］。

计算公式为：

式中，n为样本量，即空间位置的个数；Xi、Xj为空间位置i和j的观察值；Wij表示空间位置i和j的邻近关系。当i和 j为邻近的空间位置时，Wij＝1；反之，Wij＝0。全局 Moran′s I指数 I的取值范围为［－ 1，1］，大于0为正相关，小于0为负相关，等于0则无关。

局部空间自相关是测度某一小区域的地理要素或现象的某一属性在空间上的分异情况，用局部Moran′s Il表示。

计算公式为［23］：

当Ii≥E（Ii）时，表明区域内第 i个地理单元周围有一种相似属性值的空间集聚现象，即空间正相关现象；当Ii＜E（Ii）时，表明区域内第 i个地理单元与其周围区域的属性值差别较大，即存在着一种空间负相关现象。

3 结果与分析

3.1 评价结果

根据式（1）构建的综合生态风险指数模型，统计各风险样地的地类图斑，计算各街道的生态风险指数，计算结果见表1。由表1的计算结果可知，2005—2015年金州区的平均生态风险指数从 0.1073增长到0.1506，增加了28.75%。通过面积统计，得到金州区土地利用类型面积与比例（表2）。

表1 金州区各街道生态风险指数

表2 金州区土地利用类型面积及比例

2005—2015年，金州区耕地、林地、草地面积不断减小，建筑用地面积比例不断增大。根据表1的生态风险值，采用自然间断法将金州区生态风险值划为5级，即低风险区（IER≤0.099）、较低风险区（0.099≤IER≤0.124）、中风险区（0.124≤IER≤0.149）、较高风险区（0.149≤IER≤0.174）和高风险区（IER≤0.174）；利用泛克里金插值法对金州区生态风险指数进行空间插值，得到金州区三年土地利用生态风险指数空间等级分布图（图4，见封二）。统计金州区不同风险区的面积大小与比例（表3）表明，2005—2015年金州区较低风险面积在减小，高风险区域和较高风险区域及所占比重逐年增加。

表3 金州区土地生态风险等级面积及比例

3.2 结果分析

土地利用时间变化：为了清楚地表现土地利用类型的演变情况，本文建立了土地利用转移矩阵［24］，在ArcGIS中将2005年和2015年金州区的土地利用图斑进行空间叠置分析，将所得数据结果导入Excel中，利用数据透视表，建立金州区2005—2015年的土地利用转移矩阵（图4，见封二）。从表4可见，2005—2015年金州区土地利用发生变化的面积达1264.9km2，占土地总面积的85.45%，可见经济实力的快速提升对土地利用变化的胁迫程度比较明显，尤其是西南部地区（图4），由于土地利用类型的演变，导致生态风险由低一级转向更高一级。2005—2010年，金州区生态风险向更高一级转移的街道主要有大孤山街道、站前街道、海青岛街道、马桥子街道等，分别转移了0.039、0.022、0.013和0.006。主要原因是因为该区域开发强度较大，对原有土地类型的改造较强烈。2005—2015年金州区特殊用地、自然保留地面积减少最多，减少了336.2km2，主要是经济发展对特殊用地和自然保留地的开发利用。此外，金州区草地、园地、水域、交通和其他用地也有所减少，其中草地主要转化为耕地（0.1km2）、交通用地（0.1km2）和其他用地（0.2km2）；园地主要向耕地、草地和其他用地转化，转化面积分别为21.4km2、28.4km2、42.4km2。金州区中部山区地带和城乡过渡带的生态风险转移不明显，但较低风险区向中风险区的转移以及低风险区向较低风险区的转移尤为明显。2005—2015年金州区耕地面积有所增加，主要是园地、林地和城镇工矿用地的转入，分别转入面积21.4km2、13.8km2、23.5km2；林地和城镇面积也有所增加，主要由城镇工矿用地和耕地转入，转入面积分别为18.5km2、15.6km2。金州区东北部地区和耕作区的较低风险区面积扩大，低风险区面积减小。

表4 2005—2015年金州区土地利用转移矩阵（km2）

土地利用空间变化：全局空间自相关是检验研究区某要素空间模式及其显著性的一种变化模式［25］。在ArcGIS软件中计算得大连金州区生态风险指数的全局 Moran′s I估计值分别为：2005 年 0.0933、2010 年0.1743、2015 年 0.2125（表 5）。从结果可见三年的全局Moran′s I估计值均为正值，且逐年增大，说明金州区土地利用的生态风险指数具有正相关性，且通过了5%的显著性检验，相邻单元之间相互影响，具有一定的相似性。为了清楚地看到相邻评价单元之间的相互关系，在ArcGIS中利用局部空间自相关进行聚类和异常值分析，结果见图5。

图5 金州区土地利用生态风险指数空间聚类

从图5可见，2005年金州区综合生态风险指数低值区（LL）主要是向应街道、亮甲店街道和得胜街道。这三个街道的乡镇经济发展主要以农业为主，开发力度比其他区域相对较小，生态风险相对较低。登沙河街道为高低值区（HL），较其他街道的乡镇生态风险略高。这是由于该地区人口密度较大，主要经济来源为果园种植业、农产品种植、养殖业和工业等，土地利用的类型复杂多变。2010年金州区综合生态风险指数低值区（LL）集中在向应、华家屯、登沙河和杏树屯四个街道乡镇。较其他区域有更明显的低值集聚，其中土地利用类型主要以耕地、园地、林地为主，生态风险相对较低。2015年金州区综合生态风险指数低值区（LL）只有华家屯和杏树屯两个地区，这两个地区受人类干扰程度较小，开发强度较其他地区相对较小，其他地区综合生态风险指数没有明显集聚现象，但经过开发的综合生态风险指数总体呈上升趋势。

表5 金州区生态风险指数全局空间自相关结果

4 结论与讨论

2005—2015年期间大连市金州区土地发生变化的面积达1164.9km2，占土地总面积的85.45%。自2010年金州新区建立以来，金州区建设用地面积达到174.55km2，开发强度达到16.78%，而且还有继续增长的趋势。借助国家“十二五”计划的契机，金州新区建立了多个主体功能区，形成了“一核、两带、多点”的工业布局，沿海岸线布局多个产业园区，改变了以往的土地利用形式，大大增加了土地的压力，高风险土地面积扩大，应引起政府和社会的广泛重视，在开发的同时注意控制风险不再上升，谋求降低风险的措施，有规划地合理布局绿地和水域、湿地等生态用地［26］。

金州区生态风险逐渐呈现递阶结构，较高风险区集中在西南地区，较低风险区集中在东北部，中间属于过渡地带。从“十五”到“十二五”期间，金州区综合生态风险指数呈现上升趋势，土地利用的生态风险逐渐增强。随着经济的飞速提升，金州区由村落向城镇的演化速率加快，土地利用类型产生了急剧演变，耕地、林地、园地和草地面积不断减少，城镇等建筑用地面积不断扩大，而且多集中在地势较为平坦的南部和西部地区，这些地区人口密度大、交通便利，具有发展现代化产业的天然优势。此外，金州区拥有国家级经济技术开发区，引进了外资外企、兴建厂房、水利工程，改变了土地利用方式，导致了土地生态胁迫逐年加剧。

区域土地生态安全的演变涉及的影响因素众多且复杂，自然与人文关系耦合多变，结合土地利用变化构造生态风险指数，一定程度上反映了因土地利用变化而导致的生态风险时空差异，如能分析出人文因素对土地生态风险的影响，结论将更具有实际指导意义。近年来，金州区的围填海和沿海养殖区不断扩大，一定程度上改变了土地利用格局，对土地生态安全也造成了胁迫。本文仅分析了风险转移的状态，未进行转移机制的探究，今后应进行补充和完善。

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Ecological Risk of Land－use Time and Space Distribution Research in Jinzhou District of Dalian City Based on RS and GIS

WANG Geng，LI Ze－ yang，WANG Xiao－ rui，ZHANG Zhao－ peng
（School of Urban and Environment，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China）

In order to explore the rapid development of land use and cover changes，by deciphering the Landsat8 TM of Jinzhou District，this paper explored the ecological risk of land use transformation since “The 10th Five－ Year Plan”to“The 12th Five－ Year Plan”.Then，established the IER，based on geostatistics and spatial autocorrelation to analyze the ecological risk index.Land use structure could be converted to ecological risk variables，by the time－ spatial diversion of land use type to explore the evolution of the ecological risk.The results showed that the land use transform were of 1164.9km2，85.45%of the total，construction land area increased.The IER increased from 0.1073 in 2005 to 0.1506 in 2015，and the high risk area concentrated in the south and west，the low risk area was concentrated in the central and northeast mountain areas，the change trend of ecological risk generally presented ladder structure，increased gradually from northeast to southwest，this result related to population and economic agglomeration.The results revealed that the rapid development of urbanization，the Jinzhou District land use spatial difference of human disturbance，the conclusion could be established for the golden state in the future ecological new town district and provided scientific basis for land use planning.

land-use；ecological risk；risk index；evaluation；Jinzhou District

F301.2

A

1005－8141（2017）11－1312－05

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.11.006

2017－09－11；

2017－10－23

教育部共建人文社会科学重点研究基地项目（编号：15JJD790039）；辽宁省教育厅人文社会科学重点研究基地专项项目（编号：ZJ2014030）资助。

及通讯作者简介：王耕（1973－），女，辽宁省沈阳人，博士，教授，主要从事区域生态安全与管理。